Λύνοντας το μυστήριο των βαρυτικών κυμάτων.

Από σελίδα του MSNBC 20 Οκτωβρίου 2000

Μια αεροφωτογραφία που δείχνει πως θα αναπτυχθεί η συσκευή για τη μέτρηση των βαρυτικών κυμάτων από το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων με συμβολόμετρο Laser (LIGO) στο Hanford Nuclear Reservation. Το ανάπτυγμα της κάθε κεραίας σε αυτό το σχήμα L θα είναι 4 km.

Οι επιστήμονες ανήγγειλαν ότι μιά συσκευή των $300 εκατομμυρίων ψάχνει να ανιχνεύσει αμυδρά βαρυτικά κύματα από τις μακρυνές γωνίες του σύμπαντος — μια προσπάθεια που θα επιβεβαιώσει μία από τις πρώτες προβλέψεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Albert Einstein.

Οι ερευνητές που δουλεύουν στο παρατηρητήριο των βαρυτικών κυμάτων με συμβολόμετρο laser (LIGO) λένε πως έχουν κατορθώσει μιά  'πρώτη επαφή' στον ανιχνευτή ευρείας περιοχής της πολιτείας της Ουάσινγκτον. Αυτό σημαίνει πως το φως του laser ταυτόχρονα στάλθηκε εμπρός και πίσω κατά μήκος των δύο βραχιόνων που σχηματίζουν τη καρδιά του ανιχνευτή. Αυτό το κατόρθωμα είναι παρόμοιο με το 'πρώτο φως' που συλλαμβάνει ένα νεότευκτο τηλεσκόπιο.       

Περιγραφή και λειτουργία του οργάνου

Το πρόγραμμα LIGO, που διευθύνεται από κοινού από το ΜΙΤ και το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της California (CalTech), σχεδιάστηκε να αναλάβει τις σχεδόν ανεπαίσθητες παραμορφώσεις της συνέχειας του χωρόχρονου στο Σύμπαν, που προξενούνται από επιταχυνόμενες μάζες όπως είναι τ' άστρα που εκρήγνυνται ή παλλόμενες μαύρες τρύπες.
Ο ανιχνευτής περιέχει καθρέπτες που αναρτώνται στο κενό πάνω σε λεπτά σύρματα στην γωνία και στα άκρα ενός συστήματος σωλήνων σε σχήμα L. Κάθε σκέλος του συστήματος είναι 2 km, που μπορεί να επεκταθεί έως και 4 km. 

Μέσα στο ανιχνευτικό σύστημα, μια υψηλής σταθερότητας ακτίνα laser αφού χωριστεί στα δύο, στέλνονται τότε αυτές οι δύο  μισές δέσμες περίπου 100 φορές εμπρός και πίσω, ανάμεσα στους δύο καθρέπτες των δύο βραχιόνων, και τότε μόνο οι δύο μισές ακτίνες συμβάλλουν (επανασυνδέονται).
Αν διέλθει ένα βαρυτικό κύμα αυτό θα προξενήσει πολύ μικρές κινήσεις των καθρεπτών στις άκρες του σχήματος L, που οι επιστήμονες θα παρατηρήσουν μέσω των αλλαγών που αυτές θα προξενήσουν στο πλάτος του φωτός συμβολής.

“Η πρόκληση είναι πως οι προαναφερθείσες κινήσεις των καθρεπτών ωφείλουν ακόμη και στα δυνατώτερα βαρυτικά κύματα να είναι απίστευτες μικρές  — περίπου δέκα δισεκατομμυριοστά της διαμέτρου ενός ατόμου,”   εξηγεί ο φυσικός του MIT Rainer Weiss, που για πρώτη φορά σχεδίασε την κατασκευή ενός τέτοιου ανιχνευτή, το 1973. “Οι ανιχνευτές απαιτούν ακραία ευαισθησία στη μέτρηση τέτοιων κινήσεων,  τόσο όσο να εξαλειφθούν άλλες πιθανές ενοχλητικές πηγές στους καθρέπτες.”
Δύο δε παρατηρητήρια τοποθετούνται εκατοντάδες km μακρυά το ένα από το άλλο, γιατί είναι αναγκαία για να καταλάβουν την κατεύθυνση από την οποία έρχονται τα συμβάντα που προξενούν τα βαρυτικά κύματα. Και επίσης να σιγουρευτούν πως τα σήματα έρχονται από το διάστημα και δεν προξενούνται από σεισμικές δονήσεις ή κάποια άλλα τοπικά φαινόμενα. Ετσι, ένα από αυτά τοποθετείται στο Hanford, ενώ το άλλο παρατηρητήριο βρίσκεται κοντά στο Livingston.        

Για να φτάσει στη μέγιστη ευαισθησία, το LIGO χρησιμοποιεί ένα λεπτό σύστημα που ελέγχεται με computer για να κρατεί τους καθρέπτες στα άκρα των δύο σκελών στις κατάλληλες θέσεις με υποατομική ακρίβεια ενώ η δέσμη του laser αναπηδάει εμπρός και πίσω μεταξύ αυτών.
"Αυτό το σύστημα επέτυχε στο πρώτο του test και είναι σπουδαίο βήμα για την επιτυχία του τελικού σκοπού που φτιάχθηκε, την ανίχνευση των κυμάτων βαρύτητας."  είπε ο καθηγητής  του Caltech Barry Barish, διευθυντής του προγράμματος LIGO.
Η πλήρης όμως λειτουργία των ανιχνευτών θα ξεκινήσει στις αρχές του 2002, ενώ μέχρι τότε θα γίνεται δοκιμή και εγκατάσταση των διαφόρων οργάνων του LIGO.

Γιατί το κάνουμε;

Τα βαρυτικά κύματα που όπως αναφέραμε είναιν από τις πιό σπουδαίες προβλέψεις της Γ.Θ.Σ. του   Einstein, και πολλοί φυσικοί πιστεύουν πως υπάρχουν — αλλά ποτέ δεν έχουν παρατηρηθεί απ'ευθείας. Τέτοια κύματα ταξιδεύουν με τη  ταχύτητα του φωτός αλλά είναι πολύ διαφορετικά από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα με τα οποία είμαστε πιό εξοικειωμένοι, όπως είναι το ορατό φως, τα ραδιο-κύματα ή ακόμη οι X-ακτίνες.
Τα βαρυτικά κύματα αντανκλούν μιά περιοδική αλλαγή του χώρους τους. Μέσα στους ανιχνευτές του LIGO στο Hanford, τα κύματα θα διαστέλλονται κατά μήκος του ενός βραχίονα, ενώ θα συστέλλονται κατά μήκος του άλλου βραχίονα, μετά μισή περίοδο αργότερα, θα συστέλλονται τα πρώτα ενώ θα διαστέλλονται τα δεύτερα. Τα κύματα που θα δημιουργούνται στο LIGO, προέρχονται από ταχύτητες επιταχύνσεις των αστρονομικών αντικειμένων πολύ μεγάλης μάζας.
“Πολλές από τις πηγές των βαρυτικών κυμάτων που μπορεί να ανιχνεύσει το LIGO είναι δύσκολο ή ακόμη ακατόρθωτο να μελετηθεί χρησιμοποιώντας το γνωστό ηλεκτρομαγνητικό φάσμα,” είπε  ο φυσικός Kip Thorne του Caltech, ο επικεφαλής θεωρητικός φυσικός που μελετάει τις πηγές των βαρυτικών κυμάτων. “Αυτές οι πηγές περιλαμβάνουν μαύρες τρύπες, άστρα νετρονίων και πιθανώς ακόμη και το Big Bang.”

Η έρευνα των βαρυτικών κυμάτων έχει γενικώτερο διεθνές ενδιαφέρον. Ανιχνευτές έχουν φτιαχθεί στην Ιαπωνία (ο ανιχνευτής TAMA), από Ιταλική και Γαλλική συνεργασία (το πρόγραμμα Virgo) και από την συνεργασία Γερμανών και Βρεττανών (το project GEO600). Το project LIGO θα προβλέπει την πλέον αυστηρή επιβεβαίωση της γενικής σχετικότητας, ώριμες λεπτομέρειες σχετικά με τη συμπεριφορά των βαρυτικών κυμάτων και τα σωματίδια χωρίς μάζα τα γνωστά σαν βαρυτόνια. Οι επιστήμονες λένε πως υπάρχουν και άλλα ζητήματα, όπως:

• Παρατηρήσεις βαρυτικών κυμάτων μαύρων οπών, αστέρων νετρονίων, supernovae και  “starquakes,” ομοίως με τις παρατηρήσεις των βίαιων φαινομένων, όπως, οι πηγές των ακτίνων-Χ.

• Ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων που έχουν παραχθεί τη στιγμή που ο χώρος και ο χρόνος ενώθηκαν για πρώτη φορά τη στιγμή της δημιουργίας του σύμπαντος.

Μερικοί επιστήμονες, πάντως, εκφράζουν ερωτήματα αν αξίζουν τα τεράστια ποσά που θα δαπανηθούν και αν οι συσκευές θα κατορθώσουν να απομονώσουν τον 'θόρυβο υποβάθρου'

Τι είναι τα κύματα βαρύτητας;

Βαρυτικά κύματα από αντικείμενα

Είναι οι κυματισμοί (αναταράξεις) που δημιουργούνται μέσα στο χώρο και χρόνο (χωρόχρονο) του Σύμπαντος. Πάντως, θεωρούμε ότι τα βαρυτικά κύματα εκπέμπονται είτε από μαύρες τρύπες είτε από συμπαγείς αστέρες που περιστρέφονται ο ένας γύρω από τον άλλο. Έτσι, δημιουργούνται παραμορφώσεις στο χωρόχρονο, που εμφανίζονται ως ταλαντώσεις (όπως ακριβώς οι κυματισμοί στην επιφάνεια του νερού μιας λίμνης μετά τη ρίψη πέτρας) γύρω από τα αντικείμενα αυτά.

Αυτοί οι αόρατοι κυματισμοί ταξιδεύουν προς τη Γη και μεταφέρουν μαζί τους πολύτιμες πληροφορίες για τη βίαιη προέλευσή τους και τη φύση της βαρύτητας, που συνεχίζει μέχρι σήμερα να κρύβει μυστήρια.

Ο Αλμπερτ Αϊνστάιν είχε προβλέψει την ύπαρξη των κυμάτων βαρύτητας το 1916 στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, αλλά μονάχα τώρα ο άνθρωπος έχει την τεχνολογία που θα του επιτρέψει την ανίχνευσή τους.

Παρ' όλο που τα συγκεκριμένα αυτά κύματα δεν έχουν ανιχνευτεί άμεσα, η επίδρασή τους πάνω σε ένα διπλό σύστημα πάλσαρ (δύο άστρα νετρονίων -υπέρπυκνα άστρα αποτελούμενα ολοκληρωτικά από νετρόνια- σε μεταξύ τους τροχιά) έχει μετρηθεί με μεγάλη ακρίβεια και συμφωνεί πλήρως με τη θεωρία περί κυμάτων βαρύτητας.

Συμβολόμετρο
Είναι ευαίσθητο όργανο με πολύ μεγάλη ακρίβεια που μπορεί να συγκριθεί μόνο με την διακριτική ικανότητα των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων. Σε αυτό το όργανο, μιά αρχική δέσμη φωτός με τη βοήθεια ημιδιαφανούς κατόπτρου χωρίζεται στα δύο, που μετά την ανάκλαση τους σε δύο κάτοπτρα επιστρέφουν πάλι στο διαχωριστή δέσμης, που τώρα έχει το ρόλο του συνθέτη, όπου οι δύο δέσμες συμβάλλουν και ανάλογα δίνουν κροσσούς συμβολής ομόκεντρους κύκλους ή ελαφρά καμπύλες γραμμές κλπ.

Δείτε και τα σχετικά άρθρα

• Νέα μορφή ακτίνων-Χ από αστέρες επιβεβαιώνει τον Einstein